结构体的内存对齐 - 超凡’s Blog

元素是按照定义顺序一个一个放到内存中去的，但并不是紧密排列的。从结构体存储的首地址开始，每个元素放置到内存中时，它都会认为内存是按照自己的大小（通常它为4或8）来划分的，因此元素放置的位置一定会在自己宽度的整数倍上开始，这就是所谓的内存对齐。

什么是内存对齐

编译器为程序中的每个“数据单元”安排在适当的位置上。C语言允许你干预“内存对齐”。如果你想了解更加底层的秘密，“内存对齐”对你就不应该再模糊了。

例子

理论上，int占4byte，char占一个byte，将他们放在一个结构体里面，这个结构体应该占5byte，但是实际上却不是这样，这就是内存对齐导致的。

#include<stdio.h>
struct{
    int x;
    char y;
}Test;

int main() {
    printf("%d\n",sizeof(Test)); // 输出8不是5
    return 0;
}

为什么要内存对齐

平台原因(移植原因)：不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的；某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。
性能原因：数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要作两次内存访问；而对齐的内存访问仅需要一次访问。

假如没有内存对齐机制，数据可以任意存放，现在一个int变量存放在从地址1开始的联系四个字节地址中，该处理器去取数据时，要先从0地址开始读取第一个4字节块,剔除不想要的字节（0地址）,然后从地址4开始读取下一个4字节块,同样剔除不要的数据（5，6，7地址）,最后留下的两块数据合并放入寄存器。这需要做很多工作。
现在有了内存对齐的，int类型数据只能存放在按照对齐规则的内存中，比如说0地址开始的内存。那么现在该处理器在取数据时一次性就能将数据读出来了，而且不需要做额外的操作，提高了效率。

内存对齐规则

基本类型的对齐值就是其sizeof值;
数据成员对齐规则：结构(struct)(或联合(union))的数据成员，第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员的对齐按照#pragma pack指定的数值和这个数据成员自身长度中，比较小的那个进行;
结构(或联合)的整体对齐规则：在数据成员完成各自对齐之后，结构(或联合)本身也要进行对齐，对齐将按照#pragma pack指定的数值和结构(或联合)最大数据成员长度中，比较小的那个进行;

struct {
    int i;    
    char c1;  
    char c2;  
}Test1;

struct {
    char c1;  
    int i;    
    char c2;  
}Test2;

struct {
    char c1;  
    char c2; 
    int i;    
}Test3;

int main() {
    printf("%d\n",sizeof(Test1));  // 输出8
    printf("%d\n",sizeof(Test2));  // 输出12
    printf("%d\n",sizeof(Test3));  // 输出8
    return 0;
}

默认#pragma pack(4)，且结构体中最长的数据类型为4个字节，所以有效对齐单位为4字节，下面根据上面所说的规则以第二个结构体来分析其内存布局：首先使用规则1，对成员变量进行对齐：

sizeof(c1) = 1 <= 4(有效对齐位)，按照1字节对齐，占用第0单元；
sizeof(i) = 4 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为4的倍数，占用第4，5，6，7单元；
sizeof(c2) = 1 <= 4(有效对齐位)，相对于结构体首地址的偏移要为1的倍数，占用第8单元；

然后使用规则2，对结构体整体进行对齐：

第二个结构体中变量i占用内存最大占4字节，而有效对齐单位也为4字节，两者较小值就是4字节。因此整体也是按照4字节对齐。由规则1得到s2占9个字节，此处再按照规则2进行整体的4字节对齐，所以整个结构体占用12个字节。

修改C语言对齐方式

更改C编译器的缺省字节对齐方式：

在缺省情况下，C编译器为每一个变量或是数据单元按其自然对界条件分配空间。一般地，可以通过下面的方法来改变缺省的对界条件：

使用伪指令#pragma pack (n)，C编译器将按照n个字节对齐。
使用伪指令#pragma pack ()，取消自定义字节对齐方式。

另外，还有如下的一种方式：

__attribute((aligned (n)))，让所作用的结构成员对齐在n字节自然边界上。如果结构中有成员的长度大于n，则按照最大成员的长度来对齐。
attribute((packed))，取消结构在编译过程中的优化对齐，按照实际占用字节数进行对齐。

不同平台上编译器的 pragma pack 默认值不同。而我们可以通过预编译命令#pragma pack(n), n= 1,2,4,8,16来改变对齐系数。

例如，对于上个例子的三个结构体，如果前面加上#pragma pack(1)，那么此时有效对齐值为1字节，此时根据对齐规则，不难看出成员是连续存放的，三个结构体的大小都是6字节。

修改C++内存对齐方式

c++11以后引入两个关键字 alignas与 alignof。其中alignof可以计算出类型的对齐方式，alignas可以指定结构体的对齐方式。

但是alignas在某些情况下是不能使用的，具体见下面的例子:

struct Info {
  uint8_t a;
  uint16_t b;
  uint8_t c;
};

std::cout << sizeof(Info) << std::endl;   // 6  2 + 2 + 2
std::cout << alignof(Info) << std::endl;  // 2

struct alignas(4) Info2 {
  uint8_t a;
  uint16_t b;
  uint8_t c;
};

std::cout << sizeof(Info2) << std::endl;   // 8  4 + 4
std::cout << alignof(Info2) << std::endl;  // 4